Semiconductor para niños
Un semiconductor es un tipo de material que puede comportarse como un conductor (que permite el paso de la electricidad) o como un aislante (que bloquea el paso de la electricidad). Su comportamiento cambia según factores como la temperatura, la luz que recibe o los campos eléctricos y magnéticos.
Los semiconductores son muy importantes en la tecnología moderna. Gracias a ellos, tenemos dispositivos electrónicos pequeños y potentes como teléfonos, computadoras y televisores.
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Los elementos químicos que son semiconductores se encuentran en la tabla periódica. Aquí te mostramos algunos de los más comunes:
| Elemento | Grupo | Electrones de la última capa |
|---|---|---|
| Cd | 12 | 2 |
| Al, Ga, B, In | 13 | 3 |
| Si, C, Ge | 14 | 4 |
| P, As, Sb | 15 | 5 |
| Se, Te, (S) | 16 | 6 |
El semiconductor más utilizado es el silicio, seguido del germanio. También se usan combinaciones de elementos, como el galio-arsénico. Una característica común de muchos de estos materiales es que tienen cuatro electrones en su capa más externa, lo que les permite formar enlaces especiales.
Los dispositivos hechos con semiconductores pueden hacer cosas muy útiles. Por ejemplo, pueden dejar pasar la corriente más fácilmente en una dirección que en otra, cambiar su resistencia o ser sensibles a la luz o al calor. Como sus propiedades eléctricas se pueden modificar, se usan para amplificar señales, encender y apagar circuitos (como interruptores) y transformar energía.
La capacidad de un semiconductor para conducir electricidad puede mejorarse añadiendo una pequeña cantidad de otros átomos, un proceso llamado dopaje. Por ejemplo, al silicio se le pueden añadir átomos de fósforo o boro. Esto es diferente de los metales, donde la conductividad suele disminuir al aumentar la temperatura.
La forma en que los semiconductores funcionan se explica con la física cuántica, que estudia el comportamiento de las partículas muy pequeñas. El dopaje aumenta la cantidad de "portadores de carga" (partículas que llevan electricidad) dentro del material. Cuando un semiconductor dopado tiene "huecos" libres (lugares donde faltan electrones), se llama tipo p. Cuando tiene electrones libres, se llama tipo n.
Los primeros usos prácticos de los semiconductores en electrónica se vieron a principios del siglo XX. En 1904, se inventó el detector de bigotes de gato, un diodo semiconductor primitivo para radios. Más tarde, en 1947, se inventó el transistor, y en 1958, el circuito integrado, que revolucionaron la electrónica.
Contenido
¿Qué son los semiconductores?
Los materiales semiconductores provienen de diferentes grupos de la tabla periódica, pero tienen algunas cosas en común. Sus propiedades están relacionadas con cómo están formados sus átomos, y estas propiedades cambian de un grupo a otro. Los científicos aprovechan estas diferencias para diseñar mejores dispositivos electrónicos.
Historia de los semiconductores
Los semiconductores empezaron a reemplazar a los antiguos tubos electrónicos en la industria a mediados del siglo XX. Eran mucho mejores porque permitían hacer los aparatos más pequeños, consumir menos energía, ser más baratos, duraderos y confiables. Esto fue un gran cambio para la electrónica y la informática.
El término "semiconductor" fue usado por primera vez en 1782 por Alessandro Volta. La primera vez que se observó cómo funcionaban fue en 1833, cuando Michael Faraday notó que el sulfuro de plata conducía mejor la electricidad cuando la temperatura bajaba, lo contrario de lo que pasaba con los metales.
En 1878, Edwin Herbert Hall descubrió que las cargas eléctricas en los sólidos se desvían con un campo magnético, un efecto que hoy lleva su nombre y que se usa para estudiar los semiconductores.
Más tarde, en 1905, John Ambrose Fleming desarrolló el diodo de vacío, el primer dispositivo electrónico. Poco después, en 1907, Lee De Forest inventó el triodo, que no solo detectaba señales, sino que también las amplificaba.
Hacia 1915, se empezó a usar el cristal de galena como detector de señales. En los años 20, aparecieron los rectificadores de selenio y óxido de cobre, y las válvulas de radio reemplazaron a los detectores de cristal.
Entre 1920 y 1940, se desarrollaron otros dispositivos como el tetrodo y el pentodo, y los físicos crearon teorías para explicar cómo funcionaban los semiconductores. En 1923, Walter H. Schottky publicó una teoría importante que usaba la física cuántica.
En 1947, John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Shockley crearon el primer transistor usando germanio. Este invento mejoró mucho los dispositivos electrónicos y les valió el Premio Nobel en 1956.
Propiedades de los semiconductores
Conductividad eléctrica variable
Los semiconductores puros no son buenos conductores porque sus electrones están muy unidos. Pero se pueden modificar para que conduzcan electricidad. Esto se logra con el dopaje, que crea dos tipos de semiconductores:
- Tipo n: Tienen un exceso de electrones.
- Tipo p: Tienen una escasez de electrones (lo que se llama "huecos").
Este desequilibrio permite que la corriente eléctrica pase a través del material.
Heterouniones
Las heterouniones se forman cuando se unen dos materiales semiconductores con diferentes tipos de dopaje. Por ejemplo, si se une germanio tipo p con germanio tipo n, los electrones y los huecos se intercambian hasta que se equilibran. Esto crea una pequeña zona sin cargas libres que genera un campo eléctrico.
Electrones excitados
Cuando se aplica una diferencia de voltaje a un semiconductor, los electrones y los huecos se mueven y pueden interactuar. También pueden aparecer nuevos electrones y huecos si el material recibe calor o luz. Este proceso de creación y desaparición de electrones y huecos se llama generación y recombinación.
Emisión de luz
Algunos semiconductores pueden emitir luz cuando sus electrones se relajan. Estos materiales se usan para fabricar diodos emisores de luz (LEDs) y puntos cuánticos fluorescentes.
Alta conductividad térmica
Los semiconductores que conducen bien el calor son útiles para disipar el calor en los aparatos electrónicos, ayudando a que no se sobrecalienten.
Conversión de energía térmica
Los semiconductores también pueden convertir el calor en electricidad (generadores termoeléctricos) o usar electricidad para enfriar (refrigeradores termoeléctricos).
Física de los semiconductores
Bandas de energía y conducción eléctrica
La forma en que los materiales conducen la electricidad se explica por cómo se organizan los electrones en "bandas de energía".
- En los metales, hay muchos electrones libres que pueden moverse fácilmente, por eso son buenos conductores.
- En los aislantes, los electrones están muy unidos y no pueden moverse, por eso no conducen la electricidad.
- En los semiconductores, la situación es intermedia. A temperaturas muy bajas, se comportan como aislantes. Pero si la temperatura aumenta, algunos electrones pueden liberarse y moverse, permitiendo el paso de la corriente.
Cuando los átomos de un semiconductor forman un sólido, sus niveles de energía se agrupan en bandas. La banda de valencia contiene los electrones más externos, que están unidos a los átomos. La banda de conducción es donde los electrones pueden moverse libremente. Entre estas dos bandas hay una banda prohibida o "gap de energías", donde no puede haber electrones.
Si un electrón de la banda de valencia obtiene suficiente energía (por ejemplo, por calor), puede saltar a la banda de conducción, dejando un "hueco" en la banda de valencia. Tanto los electrones en la banda de conducción como los huecos en la banda de valencia pueden moverse y conducir electricidad.
Portadores de carga (electrones y huecos)
Los electrones que se mueven en la banda de conducción son los "portadores de carga" negativos. Los "huecos" en la banda de valencia se comportan como portadores de carga positivos. Ambos contribuyen al flujo de la corriente eléctrica.
Generación y recombinación de portadores
Los pares de electrón-hueco pueden generarse por la energía térmica o por la luz. También pueden "recombinarse", es decir, un electrón puede volver a llenar un hueco, liberando energía en forma de calor o luz. En un semiconductor, estos procesos de generación y recombinación están en equilibrio.
Dopaje
El dopaje es el proceso de añadir pequeñas cantidades de impurezas a un semiconductor puro para cambiar su conductividad. Esto permite controlar cuánta electricidad puede conducir el material. Por ejemplo, una pequeña cantidad de arsénico puede aumentar la conductividad del germanio miles de veces.
Los materiales que se añaden para dopar se llaman aceptores o donantes.
- Los dopantes donantes (como el fósforo) añaden electrones libres, creando un semiconductor tipo n.
- Los dopantes aceptores (como el boro) crean huecos, formando un semiconductor tipo p.
Durante la fabricación, los dopantes se pueden introducir en el semiconductor de forma muy precisa.
Semiconductores amorfos
Algunos materiales, como el boro o el silicio, pueden tener propiedades semiconductoras si se enfrían muy rápido hasta un estado similar al vidrio (amorfo).
Tipos de semiconductores
En 1727, Stephen Gray descubrió la diferencia entre conductores y aislantes. Más tarde, en 1821, Georg Simon Ohm describió cómo la corriente y el voltaje se relacionan en un conductor.
Semiconductores intrínsecos
Un semiconductor intrínseco es un material muy puro, como el silicio o el germanio, sin impurezas. A temperaturas muy bajas, se comporta como un aislante porque todos sus electrones están unidos. Pero a temperatura ambiente, la vibración de los átomos puede romper algunos enlaces, liberando electrones y creando "huecos".
En un semiconductor intrínseco, siempre hay el mismo número de electrones libres que de huecos. Estos electrones y huecos son los "portadores" de la corriente. Su cantidad es muy pequeña, por lo que no son muy buenos conductores.
Semiconductores extrínsecos
Para que los semiconductores sean más útiles, se les añade una pequeña cantidad de impurezas de forma controlada. Esto se llama dopaje, y el material resultante es un semiconductor extrínseco o dopado. En estos materiales, la electricidad se conduce principalmente por un solo tipo de portador (electrones o huecos).
Semiconductor tipo N
Un semiconductor tipo N se crea añadiendo átomos con 5 electrones de valencia (como el fósforo o el arsénico) a un material como el silicio (que tiene 4 electrones de valencia). Cuatro de los electrones del átomo de impureza se unen al silicio, y el quinto electrón queda libre. Así, hay muchos más electrones que huecos, y los electrones se convierten en los "portadores mayoritarios". Estos átomos se llaman "donadores" porque "donan" un electrón extra.
Semiconductor tipo P
Un semiconductor tipo P se forma añadiendo átomos con 3 electrones de valencia (como el boro o el aluminio) a un material como el silicio. Estos átomos se unen al silicio, pero les falta un electrón para completar sus enlaces, creando un "hueco". Así, hay muchos más huecos que electrones, y los huecos se convierten en los "portadores mayoritarios". Estos átomos se llaman "aceptores" porque "aceptan" un electrón.
Los diamantes azules, que tienen impurezas de boro, son un ejemplo natural de semiconductor tipo P.
Unión PN
Una unión PN es cuando se juntan un semiconductor tipo p y un semiconductor tipo n. En la zona donde se unen, los electrones y los huecos se recombinan, creando una "zona de carga espacial" sin portadores libres. Esta zona actúa como una barrera.
- Si se aplica voltaje de cierta manera (polarización directa), la barrera disminuye y la corriente puede pasar fácilmente.
- Si se aplica voltaje de la manera opuesta (polarización inversa), la barrera aumenta y la corriente casi no puede pasar.
Un diodo semiconductor es un componente electrónico que usa una unión PN. Se comporta como una válvula que permite que la electricidad fluya en una sola dirección.
Escasez de semiconductores
Desde el inicio de la pandemia de SARS-CoV-2, ha habido una gran escasez de microchips, lo que se conoce como la "crisis de los semiconductores".
Durante el confinamiento, muchas personas necesitaron más equipos tecnológicos para trabajar, estudiar y entretenerse en casa. Esto hizo que la demanda de componentes de computadora aumentara muchísimo. Por ejemplo, el mercado de las tarjetas gráficas se vio muy afectado, y aún hoy no se recupera del todo.
Esta escasez no solo afectó a la electrónica de consumo, sino también a la industria automotriz y a los fabricantes de electrodomésticos. Compañías como Toyota y General Motors tuvieron que reducir la producción de coches porque no tenían suficientes chips.
Expertos creen que la situación podría mejorar gradualmente en los próximos años.
Semiconductores en la informática
Las computadoras, teléfonos inteligentes, automóviles, servidores y consolas de videojuegos actuales dependen de los semiconductores. Por ejemplo, cuando usas tu computadora para buscar información o ver una película, la unidad de procesamiento central (CPU) y la unidad de procesamiento de gráficos (GPU) usan semiconductores para realizar cálculos muy rápidos.
Los circuitos integrados (chips) hechos de materiales semiconductores (como el silicio) son esenciales en todos los dispositivos electrónicos modernos. Estos chips deben poder actuar como interruptores que se encienden y apagan muy rápido para realizar las operaciones lógicas en una computadora.
Semiconductores en Argentina
Desde que se desarrolló el primer circuito integrado en 1958, estos dispositivos han evolucionado muy rápido.
En Argentina, la empresa "UnitecBlue" inauguró la primera planta de producción de chips, que puede fabricar miles de millones de semiconductores al año. Gracias a estos avances, científicos de la Universidad Nacional del Sur desarrollaron un prototipo de una "retina electrónica inteligente" usando una nueva tecnología de chips llamada 3D.
Estos chips 3D, que se pueden usar en microcámaras inteligentes, pueden capturar y procesar imágenes a una velocidad mucho mayor que las cámaras normales. La tecnología 3D permite apilar circuitos integrados y conectarlos entre sí, lo que aumenta su rendimiento y funcionalidad. Esto está revolucionando la industria de los semiconductores.
Galería de imágenes
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Estructura de bandas de un semiconductor de tipo N. Los círculos negros representan los electrones en la banda de conducción (naranja), mientras que los blancos serían los huecos en la banda de valencia (azul). La imagen muestra que los electrones son los portadores de carga mayoritarios.
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Estructura de bandas de un semiconductor de tipo P. Los círculos negros representan los electrones en la banda de conducción (naranja), mientras que los blancos serían los huecos en la banda de valencia (azul). La imagen muestra que los huecos son los portadores de carga mayoritarios.
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Semiconductor intrínseco
Véase también
En inglés: Semiconductor Facts for Kids
